鐵死亡的調控機制及其在肝疾病中的作用研究進展

李余佳，王 玲，金 春，高儷原，梁寶瑜，王桭屹，張 峰，2，3，鄭仕中，2，3

〔南京中醫藥大學1.江蘇省中藥藥效與安全性評價重點實驗室，2.江蘇省中藥功效物質重點實驗室，3.中藥品質與效能國家重點實驗室（培育），江蘇 南京210023〕

鐵死亡是近年來提出的新型細胞死亡方式，與疾病密切相關，在多種疾病進程中都扮演著重要作用。目前發現，鐵死亡在神經系統疾病、纖維化、腫瘤、缺血再灌注（ischemia/reperfusion，I/R）損傷、糖尿病和動脈粥樣硬化等疾病中發揮重要作用[1]。雖然鐵死亡參與了諸多疾病進程，但深入機制還有待探究。作為困擾全球健康問題的肝疾病一直是研究的熱點，而鐵死亡的發現無疑為解決這一問題開辟了一條新的道路。

1鐵死亡概述

1.1 鐵死亡概念的提出

在鐵死亡的概念提出之前，就已經發現了鐵死亡的誘導劑。2003年，Dolma等[2]在使用高通量篩選化合物時，發現了一種新的化合物——愛拉斯?。╡rastin），該化合物能夠以一種非凋亡的形式選擇性地殺死表達小T 癌蛋白和致癌ras 基因的細胞。接著，Yang等[3]又發現了含ras基因的癌細胞對ras選擇性致死化合物（ras-selective-lethal compound，RSL3）和RSL5敏感性更高，并且凋亡、壞死和自噬抑制劑均不能抑制RSL3 和RSL5 誘導的細胞死亡，而抗氧化劑和鐵螯合劑可以抑制這一過程。直到2012 年，Dixon 等[4]將這種依賴于鐵的脂質過氧化和活性氧（reactive oxygen species，ROS）堆積而導致的細胞死亡命名為鐵死亡。從此，鐵死亡這一概念逐漸進入公眾的視野，并發現鐵死亡參與了多種病理進程。

1.2 鐵死亡的機制

2018年，細胞死亡命名委員會建議將鐵死亡定義為一種調節性細胞死亡（regulated cell death，RCD）[5]。在形態、生化特征和調控機制上，鐵死亡都與其他死亡方式不同。鐵死亡在形態學上表現為細胞膜不破裂但膜上起泡、線粒體變小、線粒體膜密度增加且外膜破裂、線粒體嵴減少或消失、細胞核大小正常但缺乏染色質凝聚[6]。在生化特征上，鐵死亡表現為鐵和ROS的增加和半胱氨酸攝取減少、花生四烯酸介導因子釋放增多、線粒體膜電位降低等[7]。正是因為與傳統的細胞死亡方式不同，鐵死亡得到了越來越多的關注，通過深入了解鐵死亡的調控機制，有望為疾病的治療提供新的策略。

從鐵死亡提出至今，對鐵死亡機制探究的腳步從未停下。從目前的研究來看，鐵代謝紊亂尤其是鐵超載和脂質過氧化已逐漸被公認為是鐵死亡的中心環節[8]。研究表明，對鐵死亡敏感的細胞轉鐵蛋白受體1（transferrin receptor 1，TfR1）升高，而鐵蛋白表達降低，導致鐵吸收增加而鐵儲存減少，過多的鐵就會通過芬頓反應和Haber-Weiss反應產生ROS從而誘導細胞鐵死亡[3]。此外，鐵死亡還受到system Xc-系統和谷胱甘肽過氧化物酶4（glutathione peroxidase 4，GPX4）的嚴格調控。system Xc-是一種膜Na+依賴性胱氨酸-谷氨酸交換轉運體，是由輕鏈亞基（xCT，SLC7A11）和重鏈亞基（CD98hc，SLC3A2）組成的二硫鍵異二聚體[9]。system Xc-將細胞外胱氨酸轉運到細胞，再轉化為半胱氨酸用于谷胱甘肽（glutathione，GSH）的合成[10]。細胞攝取半胱氨酸是GSH 合成的關鍵步驟，GSH的產生和維持是保護細胞免受氧化應激反應損傷的關鍵。當選擇性抑制system Xc-時，會導致細胞內GSH 的合成減少，毒性ROS 積累，最終引起細胞死亡[11]。而GPX4 是一種將還原型GSH轉化為氧化型GSH，同時將脂質過氧化氫還原為相應的醇或游離過氧化氫還原為水的酶[12]。一旦GPX4 受到抑制，脂質過氧化物將會積累，與此同時，細胞內的鐵會將其催化為脂質自由基，產生細胞毒性，導致細胞死亡[12]。值得注意的是，線粒體在鐵死亡中也有重要作用。最近的一項研究表明，線粒體在鐵死亡中的作用取決于細胞所處的環境[13]。當半胱氨酸缺失時，細胞會通過谷氨酰胺分解來進行代謝，線粒體內三羧酸循環增強，脂質ROS 的產生增多，線粒體膜超極化并最終崩潰，從而誘導細胞鐵死亡。但是如果直接抑制GPX4，細胞則會發生不依賴線粒體的鐵死亡。

1.3 鐵死亡誘導劑和抑制劑

在對鐵死亡機制的探索過程中，對鐵死亡誘導劑和抑制劑的研究也沒有停止。其中美國FDA 已批準鐵死亡誘導劑柳氮磺吡啶（sulfasalazine）和索拉非尼（sorafenib）進入臨床使用，并且取得了較好的效果[14]。甲磺酸去鐵胺是一種通過螯合鐵和抑制鐵的芬頓反應來阻止脂質過氧化發生的鐵死亡抑制劑，目前臨床主要用于治療慢性鐵負荷過重[15]。除此以外，已知的鐵死亡誘導劑有FIN56、FINO2、GSH 和半胱氨酸合酶等；鐵死亡抑制劑有ferrostatins、liproxstatins、環己酰亞胺和β-巰基乙醇等[16]。本文主要介紹一些與鐵死亡相關的中藥成分。一項研究表明，包括青蒿素在內的10種青蒿素衍生物可以改變與鐵死亡相關的基因，從而誘導細胞鐵死亡[17]；蓽茇酰胺可以通過提高ROS 水平，調節鐵代謝來誘導鐵死亡，發揮抗肝癌的作用，并且其對正常細胞沒有影響，是非常有前景的化合物；葛根素能夠降低ROS、調節鐵穩態、抑制鐵過載，從而抑制細胞鐵死亡；糙米提取物可以改善GPX4 敲低誘導的脂質過氧化、細胞毒性和延遲增殖，提示糙米可作為鐵死亡抑制劑從而發揮作用[18]；黃芩苷通過抑制脂質過氧化，阻止鐵沉積從而抑制鐵死亡，且其抑制作用明顯優于一些典型的鐵死亡抑制劑，有望成為一些由鐵死亡引起的疾病的有效治療藥物[19]。雖然對中藥及其活性成分調節鐵死亡的研究起步晚，積累少，但其調節靶點多、結構穩定、安全性高和廉價易得的一些特點使中藥在鐵死亡調節的研究中占有重要的一席之地。

2 鐵死亡與肝疾病的關系

肝疾病是一種常見的危害極大的疾病，通常多見如肝炎、酒精性肝損傷、脂肪肝、肝纖維化、肝硬化和肝癌。目前，肝疾病是困擾全球健康的一大難題，其治療難度高，且尚無有效的特異性治療手段，只能采取保守治療，尋找有效的治療方法解決這一難題迫在眉睫。近年來，許多研究都表明，鐵死亡與肝疾病密切相關。與正常狀態下的肝相比，發生病變的肝內鐵離子和脂質ROS增多，提示鐵死亡可能在肝疾病中扮演著重要的角色。所以，調控鐵死亡可能會成為治療肝疾病的一種新的策略，深入了解鐵死亡的調控機制將會為肝疾病的治療帶來新的希望。

2.1 鐵死亡在肝損傷中的作用

2.1.1 血色素沉著癥相關肝損傷

血色素沉著癥尤其是遺傳性血色素沉著癥（hereditary hemochromatosis，HH）會導致過量的鐵儲存在肝、心臟和胰等器官中，最終導致器官衰竭。研究表明，所有HH障礙均表現為鐵調素-鐵轉運蛋白穩態失調，由此導致的過剩的鐵通過芬頓反應產生ROS，從而導致細胞死亡和全身氧化損傷，最終導致嚴重的慢性并發癥，包括肝硬化、糖尿病和心臟病[20]。目前對血色素沉著癥相關肝損傷的治療選擇相對較少，因此，尋找鐵相關病理過程的新的治療靶點對于治療血色素沉著癥相關肝損傷至關重要。浙江大學的研究人員發現，鐵含量過高及HH可誘發肝細胞及巨噬細胞發生鐵死亡，同時，胱氨酸-谷氨酸轉運體中的輕鏈亞基（xCT，SLC7A11）可抑制肝鐵死亡[21]。因此，通過靶向鐵-ROS-SLC7A11網絡抑制由鐵超載引起的鐵死亡可能會為治療血色素沉著癥相關肝損傷提供新的策略。

2.1.2 缺血再灌注性肝損傷

I/R 可導致多種器官損傷，如心臟、肝和腎等。已有研究表明，抑制鐵死亡可以改善I/R 引起的心肌和腎損傷。而I/R性肝損傷是肝手術的主要并發癥，深入研究I/R 性肝損傷的病理生理機制及尋找各種抗I/R性肝損傷策略一直是肝研究領域的重要方向。雖然關于鐵死亡在I/R 性肝損傷中研究較少，但已有的研究表明，鐵死亡在I/R性肝損傷中也發揮重要作用，使用鐵死亡抑制劑Liproxstatin-1可以抑制脂質過氧化從而減輕I/R 帶來的肝損傷[22]。因此，靶向鐵死亡這一非凋亡途徑可能有助于改善I/R性肝損傷。

2.1.3 對乙酰氨基酚誘導的肝損傷

藥物性肝損傷已成為近年來的熱門話題。對乙酰氨基酚（acetaminophen，APAP）的肝毒性是引起急性肝衰竭的重要因素。研究表明，在APAP誘導的肝損傷進程中，肝脂質過氧化顯著增加，并伴隨著細胞內大量的鐵沉積，這與鐵死亡的特征高度契合。進一步的研究發現，（+）-黃皮酰胺可能通過增加谷胱甘肽巰基轉移酶（glutathione S-transferase，GST）的活性抑制鐵死亡從而保護肝免受APAP誘導的肝損傷[23]。在對方劑扶正養肝合劑的研究中發現，該方劑可以通過下調前列腺素內過氧化物酶基因2 mRNA水平，上調SLC7A11和GPX4蛋白水平來抑制鐵死亡，從而保護肝免受APAP 誘導的肝損傷[24]。

2.2 鐵死亡在肝纖維化中的作用

肝纖維化是指由各種致病因子所致肝內結締組織異常增生，大量研究表明其發生的中心環節是肝星狀細胞（hepatic stellate cell，HSC）的活化[25]。目前改善肝纖維化手段有改善炎癥、抑制血管重構等，其中抑制HSC 的活化，并誘導其死亡是核心手段。研究表明，HSC 中儲存有大量的鐵離子[26]，這就為HSC 可能發生鐵死亡提供了條件。Wang等[27]研究發現，在蒿甲醚誘導HSC發生鐵死亡的過程中，P53 發揮了關鍵的作用。蒿甲醚可誘導P53上調，抑制SLC7A11，從而導致GSH 耗盡、GpX4缺失和ROS過表達，最終誘導HSC發生鐵死亡，阻止肝纖維化的繼續發展。Sui 等[28]研究發現，異甘草酸鎂可誘導血紅素氧合酶1上調，鐵轉運蛋白、鐵轉運蛋白受體和鐵蛋白重鏈1 過表達，鐵轉運蛋白缺失，導致鐵聚集，氧化還原穩態失衡，脂質過氧化增加，從而誘導HSC 發生鐵死亡，最終抑制肝纖維化發生過程中HSC 的活化。最近Zhang 等[29]研究發現，誘導HSC中儲鐵蛋白自噬，釋放出鐵離子，游離的鐵通過芬頓反應產生過多的ROS，進而誘導HSC發生鐵死亡。而最新的研究發現，青蒿琥酯可以通過鐵自噬誘導HSC鐵死亡[30]，為中藥抗肝纖維化的研究又添上了新的一筆。關于HSC 如何發生鐵死亡有待更深入的研究，現有的研究也為通過誘導HSC鐵死亡治療肝纖維化提供了研究基礎。目前關于肝纖維化的治療藥物多數為中藥，明確中藥治療肝纖維化的分子機制有助于更好地治療肝纖維化。

2.3 鐵死亡在肝癌中的作用

肝細胞癌（hepatocellular carcinoma，HCC）是我國最常見的癌癥之一[31]。目前，多激酶抑制劑索拉非尼（sorafenib）是晚期肝癌患者唯一的一線藥物[32]。索拉非尼通過抑制位于細胞表面的酪氨酸激酶（如血管內皮生長因子受體、血小板衍生生長因子受體β）和誘導HCC 氧化應激，抑制HCC 的信號轉導、增殖和血管新生，并誘導HCC 凋亡[33]。但是，越來越多的研究表明，索拉非尼的抗癌作用與鐵死亡有很大的關系。Louandre等[34]研究發現，使用鐵螯合劑鐵氧胺（deferoxamine，DFX）實現的細胞內鐵儲存的耗竭阻止了索拉非尼在肝癌細胞中誘導氧化應激，有效地保護肝癌細胞免受索拉非尼的細胞毒性作用。在對索拉非尼的耐藥研究中發現，金屬硫蛋白（metallothionein，MT）-1G 是肝癌細胞對索拉非尼耐藥的關鍵調控因子，而MT-1G在索拉非尼耐藥中作用的分子機制包括抑制鐵死亡[35]。雖然索拉非尼通過多種途徑誘導肝癌細胞發生不同形式的死亡，從而發揮抗癌作用，但從目前的研究來看，索拉非尼更易誘發HCC 發生鐵死亡[33]，并且通過抑制核轉錄相關因子2（nuclear transcription related factor 2，NRF2）[36]或下調成視網膜細胞瘤（retinoblastoma，RB）蛋白[37]可顯著提高HCC對鐵死亡的敏感性，更有利于索拉非尼發揮抗癌作用。除此以外，氟哌啶醇可顯著提高索拉非尼處理的肝癌細胞中的鐵離子、GSH和脂質過氧化水平，增強索拉菲尼的抗癌作用[38]。

除了索拉非尼，研究人員還發現了其他可以誘導HCC鐵死亡的藥物。由低密度脂蛋白-二十二碳六烯酸（low density lipoprtein-docosahexaenoic acid，LDL-DHA）重組而成的納米顆粒可選擇性地殺滅肝癌細胞，并減慢大鼠原位肝腫瘤的生長，肝癌細胞在攝取LDL-DHA 納米顆粒后，細胞內的脂質ROS會升高，而GSH和GPX4降低，從而發生鐵死亡[39]。納米顆粒藥物具有多種優勢，尤其是可以靶向定位，為原位誘導癌細胞鐵死亡提供了新的方向。

值得注意的是，最近一項研究表明，長鏈脂酰輔酶A合成酶4（long-chain acyl-CoA synthetases 4，ACSL4）是HCC發生鐵死亡的必需基因[40]。ACSL4通過5 羥基二十碳四烯酸介導的脂毒性在促進erastin 誘導的鐵死亡中起關鍵作用。ACSL4 不僅是鐵死亡的敏感監測指標，也是引起鐵死亡的重要因素。更有研究發現，與正常組織相比，ACSL4 在肝、腎、結腸直腸和頭頸癌等多種癌癥中均有過表達[41]，因此誘導鐵死亡可能是一種安全性較高的抗癌方法。除此以外，Yuan等[42]研究發現，線粒體外膜鐵-硫（2Fe-2S）蛋白質1（iron sulfur domain 1 protein，CISD1）會負調控鐵死亡，并且在HCC 中，抑制CISD1 有助于erastin 誘導的鐵死亡。而P53在誘導HCC 發生鐵死亡的過程中也有至關重要的作用。眾所周知，Ser46 的磷酸化對于維持P53 的腫瘤抑制功能十分重要[43]。Jennis等[44]研究發現，突變型P53 和Pro47 失去使Ser46 磷酸化的功能，后者被稱為Ser 47（S47），可抑制HCC 中的鐵死亡。綜上所述，誘導鐵死亡可能是未來治療HCC的新策略。

2.4 鐵死亡在其他肝疾病中的作用

慢性肝病的病程長、發病機制不明確是慢性肝病治療的絆腳石。深入探究鐵死亡在慢性肝病發病過程中的機制，有助于慢性肝病的治療。研究發現，酒精性脂肪肝患者體內鐵調素明顯下調，從而導致十二指腸中鐵轉運蛋白表達的上調，血清中鐵以及鐵蛋白水平顯著升高[45]。非酒精性脂肪肝患者的血清鐵蛋白顯著升高，而且轉鐵蛋白飽和度也呈現升高趨勢[46]。肝炎患者尤其是丙肝患者因丙型肝炎病毒介導組蛋白乙?；瘉斫档丸F調素水平從而誘導肝內鐵積累[47]。此外自身免疫性肝病患者血清中鐵調素的濃度明顯低于正常人，最終導致肝內鐵過載[48]。雖然無直接證據表明鐵死亡參與到這些肝病，但這些肝病的發病過程中都表現出了鐵死亡的關鍵特征，提示鐵死亡可能參與了這些疾病的發病。綜上所述，深入研究鐵死亡和肝疾病之間的關系，有望為肝疾病提供新的治療方法。

3 結語

目前對鐵死亡的研究尚處于起步階段，其特異性信號通路和標志性分子的研究還不成熟，尤其是國內對鐵死亡的研究還比較少，并且很少涉及到傳統中藥。而現在對肝疾病的治療還比較保守，主要以藥物尤其是中藥保肝為主。鐵死亡的提出為中藥保肝機制的探索提供新的研究方向和思路，并且調控鐵死亡可能成為治療目前尚無成功治療方法的某些肝疾病的新策略。

鐵死亡是一把雙刃劍，在不同的病理狀態下起著不同的作用。若是肝細胞發生鐵死亡，將會導致疾病惡化；若是HSC 或肝癌細胞發生鐵死亡，則可能會減慢疾病的進程。因此，在肝疾病的治療中，先確認鐵死亡的作用是至關重要的一步，對于肝損傷我們應以抑制鐵死亡為主，而對于肝纖維化和肝癌，應以誘導鐵死亡為主，這樣才能達到治療疾病的目的。

綜上所述，鐵死亡作為一種新提出的細胞死亡方式，對其機制的深入研究將會為肝疾病的治療提供新的希望。